毕业设计（论文）电动车电气控制系统（全套完整版）.doc

摘 要石油资源的日益减少、大气环境的污染严重，让人们日益关注电动车。电气驱动是电动汽车的心脏，为了增加电动汽车的行驶里程，必须开发高功率密度、高效率、高可靠性以及价格合理的电气驱动系统。电控技术的进步是以无刷电机的成功应用为标志的；同时，控制器进入了快速发展的阶段，以单片微控制器（MCU）的广泛应用为主要特征，而一批有较强的自主开发能力的电子技术企业迅速崛起。本文主要研究的是电动车的电气控制系统；它由电子控制器、功率转换器、电动机等组成。电子控制器包括传感器、电气连接电路和微处理器 ,实现信号采集、转换、传输和处理；功率转换器负责驱动和制动。嵌入微处理器，可以使电动车安全驶行，并提升操控性能。在这里，作者以新型主流MCU产品STM8作为核心，成功地设计了这套电气控制系统；在软件上，设计了数字控制的PID算法，构成了闭环系统。所制作的模拟装置，启动、带载、调速性良好且运转稳定，成为了一款新型实用的控制系统。 关键字：电气驱动 无刷电机 PWM技术 电子换向 直流逆变技术完整版全套设计，联系 153893706AbstractThe dwindling oil resources, the pollution of the atmospheric environment seriously, make people pay more attention to electric vehicle. Electric driving is the heart of an electric car, in order to increase the electric vehicle mileage, a high power density, high efficiency, high reliability and reasonable price of electric drive system must be developed.显示对应的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典详细内容Electronic control technology is marked with brushless motor widely used successfully. At the same time, the controller enters a stage of rapid development, a microprocessor ( CPU ) is widely used as the main character, and a number of strong ability of independent development of the electronic technology industry rises quickly.This paper mainly studies the vehicle electrical control system witch consists of electronic controller, power converter, motor and other components. The electronic controller comprises a sensor, electrical connection circuit and the microprocessor, signal acquisition, conversion, transmission and processing; power converter for driving and braking. Embedded microprocessor can make electric car safety sail, and enhance the control performance. Here, the author used mainstream MCU STM8 products as the core, successfully designed the electrical control system; in software, designed a digital PID algorithm controller, constitutes a closed-loop system. The imitation device made by author, is good and stable operation by start, load and speed control, being a new practical control system.Keywords: Electrical drive; Brushless motor; PWM Technology; Electronic commutation; DC inverter technology目 录引言5第一章 绪 论61.1选题背景及研究意义61.2研究步骤、方法6第二章 系统的方案理论分析72.1无刷电机的组成72.2直流无刷电机的控制原理82.3转速、转矩计算92.4三相直流无刷电动机的典型应用122.4.1三相半控方式122.4.2三相Y联结方式122.3无刷电机对单片机资源预计14第三章 系统方案的选择153.1系统方方案概述153.2单片机选型及介绍153.3功率驱动器件选用17第四章 系统的硬件实现184.1单片机与外设接口184.3驱动主电路逆变桥194.4逆变桥驱动电路204.5检测模块204.5.1电机位置检测204.5.2相电流电压检测214.5.3电源总电流与电压检测214.6输入装置214.7系统的EMC设计22第五章 5 软件设计235.1无刷电机换向实现235.2调速的闭环算法245.3刹车、制动算法255.4软件多线程系统26第六章 结论27谢 辞28附录 图A1（硬件原理图:STM8单片机主控系统）30附录 图A2（硬件原理图:接口与电源系统）31附录 图A3（硬件原理图:检测与电机驱动部件）32附录 图A4（硬件PCB图）33附录 源代码B1（软件部分代码）34引言在汽车业界，如何削减汽车的二氧化碳排放量已成为重要课题。作为一个有效的解决途径，电动汽车已成为各大汽车厂商竞争的焦点。电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。无论何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分;电动车驱动系统均具有相同或相似的功能模块。驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。如何从电机设计和控制策略两方面加以改进是现在的研究热点。永磁电动机电气驱动系统以转速更高、用磁铁更省、可以实现转子轻小紧凑、低成本化设计而成为研究与应用的热点。在控制器件方面，应用新一代功率电子器件，可使变频器有更高的功率密度和效率，结构也更牢固，更适于电动车所用。在控制策略方面，变结构控制、模糊控制、神经网络控制以及专家系统等新的控制方法正逐渐应用于电动车驱动系统中，并取得越来越好的效果。第一章 绪 论1.1选题背景及研究意义电动车有着悠久的历史，可追溯至1881年8月在巴黎举行的国际电器展览会上，法国人特鲁夫展出了世界上第一辆交通工具一辆电动三轮车。电动车按类型分可分为：电动自行车、电动摩托车、电动汽车、电力机车等等；其电气控制系统涵盖的内容更加广泛，本文从电动车最主要的方面着手展开研究，针对电机控制研制一套的经济实用的电气控制系统。电机的选择决定了本文的研究最基本、最重要的问题：直流电动机，因为电刷存在换向火花使其寿命宿短，产生噪声和电磁干扰而被变频调速的异步电机取代，当今电力电子技术迅猛发展，以及数字信号控制器出现，使得逐线圈换向技术制造的跟踪器，电子换向取代换向器和电刷成为了可能。变压调速的旋转磁场直流电动机比变频器实现起来简易可靠，其优越的转矩性能和调速性能，又是变频控制无法比拟的。无刷电机的换向、驱动方案的研究，其目的使其在运转中平稳可靠，为深入地学习和探究，推广这种新型技术，所以选择该课题。无刷电机有着广阔的市场，其相应的控制器也总需要更新换代，无刷电机的应用不仅仅在交通工具上，仍至电力传动领域、数控设备、家用电器、工业生产上。本文对电动车控制器的研究就主要围绕着无刷直流电机的控制方法展开。1.2研究步骤、方法针对无刷直流电机控制的主流方案目前有三大类：一是采用专用集成电路制作的控制器；一是采用通用单片机制作；一是采用专用数字信号处理器(DSP)制作。以专用集成电路制作控制器, 技术成熟；此类芯片系统集成度较高,保护电路动作快,有配套的其他集成电路,使用便利，但不够灵活。DSP对输入输出数据能进行高速处理,且提供了高度专业化的指令集,使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵方面具有优势,可以完成一些较复杂的控制功能，但制作成本也相对较高。以通用单片机制作控制器,机动灵活,容易进行功能扩展, 应导师要求和指示，选用这种方式；但单片机处理能力有限，实时性和精度要求高时，应带有针对性选用外设充足，功能相对足够的系列和型号。电动车的电气系统应分模块进行设计，电机是最主要，本设计最核心的部分：第一：根据电动车行驶的特点，选择功率大小、起动转矩相适应的电机，获取无刷电机的相关资料，充分理解无刷电机的工作原理；再者：为适应于电机，选择合适的电力电子器件，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR,MOSFET和IGBT等相继出现，为创造新型的无刷直流电动机带来生机。为适应于整个系统并针对无刷电机驱动，选择一款易于编程，外设丰富，稳定性好的微处理器软件方面：参考无刷电机的换向控制的时序，通过检测位置或者速度信息，正确换向。计算电机转速，设计闭环算法，提高操作性能。在控制器的基础上采用什么样的控制技术也非常重要。 基本都是采用PWM技术通过控制电机端电压来控制电机转速。一般情况下,在要求不高时采用开环调速控制；而对于动态性能要求较高的负载,可采用转速、电流双闭环调速控制系统。控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止。其中可以使用仿真软件，对系统进行仿真，确保方案的正确性。充分利用微处理器外设，进行功能扩展，设计故障诊断，保护功能：温度检测、过压欠压保护、过流保护、电量检测等等。第二章 系统的方案理论分析2.1无刷电机的组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,）组成。图2.1所示为三相两极直流无刷电机结构。图2.1 三相两极直流无刷电机组成直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响： . (2-1)在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动)器，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部件如图2.2：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入，要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器转成三相电压来驱动电机。换流器一般由6个功率晶体管(Q1Q6)分别为Q1、Q3、Q5(这些称为上臂功率晶体管)；Q2、Q4、Q6(这些称为下臂功率晶体管)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器，作为相序控制的依据，同时也用作为闭回路控制的速度检测。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。  图2.2 直流无刷驱动器2.2直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器中电力器件的顺序，如下图2.3换流器中之上臂AH,BH,CH及下臂AL,BL,CL，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁磁场相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开一路臂功率晶体管)，要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 图2.3 换流器基本上功率晶体管的打开次序可举例如下： AH,BLAH,CLBH,CLBH,ALCH,ALCH,BL；往后便是下一周期。 但不能将AH，AL或BH，BL或CH，CL同时打开。此外由于电子器件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将器件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管过流而烧毁，即便不是这样，也将导致逆变桥效率下降。 当电机转动起来，控制部中心会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令与霍尔信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH,BL或AH,CL或BH,CL)开关导通，以及作用时间长短。速度低则延长，速度过高则缩短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的时钟分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于霍尔信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的霍尔信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以解码器变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制，电机能够运转顺畅而且响应良好。2.3转速、转矩计算假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即.这样，如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产生的转矩为: (2-2)式中，ZD每相绕组的有效导体数；L绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；r电动机中气隙半径；I绕组相电流。就是说某一相通以不变的直流电后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图2.4所示。图2.4 在恒定电流下的单相转矩它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电路的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在图2.5a所示的瞬间导通晶体管，则可产生最大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。图2.5a所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为.在=0度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图2.5b 所示。图2.5b如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。当=30度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几个位置时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产生死点。当 30度后，电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起动时， 不宜大于30度，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把角调整到0度，使电动机产生的平均转矩最大。当 =0度时，可以求得输出转矩的平均值 ：; (2-3). (2-4)电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。在本电路中，每相绕组在一个周期中只通电 ，因此仅在这 期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图2.6所示。图2.6 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势同理可按下式求得感生电动势的平均值 ：; (2-5). (2-6)从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数：; (2-7). (2-8)对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功率晶体管的换相方式有关。直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为; (2-9)其中; (2-10). (2-11)将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为. (2-12)式中 ,n电动机转速（r/min ）；U电源电压（V）；U 功率管管压降（V）；Kc电动势系数；Ta电动机产生的电动转矩平均值（N*m）；KT转矩系数；R电动机的内阻（）.2.4三相直流无刷电动机的典型应用2.4.1三相半控方式在三相半控电路中，其转矩的波动在TM 到TM/2 之间，这是直流无刷电动机不利的一面。图2.7 三相半控桥电路常见的三相半控电路如图2.7所示，图中LA、LB、LC为电动机定子A、B、C三相绕组，VF1、VF2、VF3为三只MOSFET功率管，主要起开关作用。H1、H2、H3为来自转子位置传感器的信号。如前所述，在三相半控电路中，要求位置传感器的输出信号1/3周期为高电平，2/3周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位也是1/3周期。和一般电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大电流I。为此，通常需要附加限流电路。2.4.2三相Y联结方式三相半控电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3周期，没有得到充分的利用，而且在运行中转矩波动较大。在要求较高的场合，一般均采用如图2.8所示的三相全控电路。三相全控电路有两两换相和三三换相两种方式图2.8 三相全控电路在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。如采用两两通电方式，当电流从功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，再从C相绕组经VF2流回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合成的转矩大小为 ，方向在Ta和-Tc角平分线上。当电动机转过60度后，由VF1,VF2通电换成VF2,VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组，再从C相绕组流出经VF2回到电源，此时合成的转矩大小同样为；但合成转矩T的方向转过了60度电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60度电角度。所以，采用三相Y联结全控电路两两换相方式，合成转矩增加了倍。每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电120度，每个绕组通电240度，其中正向通电和反向通电各120度。其输出转矩波形如图2.9所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小，从0.87Tm到Tm。图2.9 全控桥输出波形图三三通电方式，这种通电的顺序为VF1-VF2-VF3、VF2-VF3-VF4、VF3-VF4-VF5当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，经B和C相绕组分别从VF6和VF2流出。经过60度电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，这时电流分别从VF1和VF3流入，经A和B相绕组再流入C相绕组，经VF2流出。在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60度换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管通电180度。合成转矩为1.5Ta.三相联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。两两通电方式的通电顺序是VF1-VF2、VF2-VF3、VF3-VF4、VF4-VF5、VF5-VF6、VF6-VF1、VF1-VF2，当VF1-VF2导通时，电流从VF1流入，分别通过A相绕组和B、C两相绕组，再从VF2流出。这时绕组的联结是B、C两相绕组串联后再通A相绕组并联，如果假定流过A相绕组的电流为I，则流过B、C相绕组的电流分别为I/2。这里的合成转矩为A相转矩的1.5倍。三三通电方式的顺序也是VF1-VF2-VF3、VF2-VF3-VF4、VF3-VF4-VF5、VF4-VF5-VF6当VF6-VF1-VF2通电时，电流从VF1管流入，同时经A和B相绕组，再分别从VF6和VF2管流出，C相绕组则没有电流通过，这时相当于A、B两相绕组并联。这时相当于A、B两绕组并联，合成转矩为A相转矩的倍。2.3无刷电机对单片机资源预计无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是当成功同步换相以后，它的调速方式是变压调速。这样电机便引入了一个很重要的参数：无刷电机KV值。无刷电机KV值定义为 转速/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。从这个定义来看，我们能知道，无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。对于电动车而言，假定限速v=60km/h，带其变速箱速比n=2时，轮子半径d=0.36m电机运转的最高转速约为r/min.对于一个三相四极无刷电机，三三通电方式下，其换向频率为Hz.最小换向时间1.41ms.为了确保换向顺畅，控制平稳，单片机换向事件响应时间至多100us,单得机输出PWM频率至少为5kHz.如果换向保守估计程序量是400条，全速下，所选择单片机程序执行能力至少是4MIPS，并且有可控、独立的PWM输出模式。第三章 系统方案的选择3.1系统方方案概述如下图3.1所示，为本系统的总方案的简图：由电源部分、操作输入、主控器、显示输出、电力驱动系统以及电机等组成。图3.1 电动车电气控制系统简图1电源系统负责系统所有芯片，用电部件的电源分配，在功耗小，对电源稳定度、纹波要求苛刻的地方应使用线性稳压器；而在功耗大，如电力驱动主电路，背光等，则使用直流斩波方式的开关电源；充分考电磁兼容性，对噪声源和抗干能力弱的部件加以区分，独立使用电源，并分别加入滤波器。2输入装置包括调速转把、刹车断电把以及作为调整其控制性能，更改各种配置设置的按键等输入装置。3仪表显示能指示当前车速，行驶里程值，剩余电量4电力驱动系统也就是一个三相逆变桥，6个桥臂，用微控制芯片通过光耦或者缓冲器连接送以脉冲，控制着电机运转的换相，并以PWM进行调压调速。3.2单片机选型及介绍市场上单片机的种类的厂商非常多，同一厂商，其生产的单片机也会有不同的系列和不同的型号，它们主要是针对不同的应用而被开发出来，恰到好处地选择一款外设功能充足，而又非多余的单片机来完成一个工程，将使得设计变得简单可靠而且成本合理。本设计使用了意法半导体（ST）公司的8位通用微控制器STM8，它是ST公司的全新8位通用控制器产品系列，结合了过去多年单片机设计开发中的领先创新和宝贵经验，采用了0.13um技术工艺，高性价比。STTM8被广泛应用于：工业自动化、汽车、家电、消费电子、仪器仪表等等。如下图3.2，是该单片机的内部结构简图。图3.2 STM8内部结构STM8作为高性能的通用控制平台所具有的特点：1 内核和架构：独立的数据和指令总线读写操作在同一个周期执行独立的指令和数据存储空间哈佛架构，3级流水线2 线性内存架构：最多128KB flash，10K次擦写最多6KB RAM可以单字节或块/字编程支持在应用编程，在系统编程3性能：峰值性能20MIPSFcpu=24MHz32位指令总线32个中断向量96条指令低功耗：全速运行下1mA+0.6mA/MHz强抗干扰能力，高可靠性，简单灵活STM8105产品系列的特点如下表3.1所示：芯片型号引脚GPIO数目捕获比较通道A/D转换通道Flash程序(字节) EEPROM(字节) RAM(字节) 外设C64838910中等密度32K10242K高级控制定时器(TIM1) 通用定时器(TIM2和TIM3)基本定时器(TIM4) SPI，I2C，UART 窗口看门狗，独立看门狗ADC C4483891016KS644348932KS444348916KK632258732KK432258716K表3.1 STM8S105系列单片机资源对比STM8S105S4的外设资源：1 高速内部16MHz RC振荡器，精度±2%；2us转换时间的主时钟开关，切换灵活方便，易于构建低功耗系统；2 中断管理: 带有32个中断的嵌套中断控制器, 6个外部中断向量，最多37个外部中断,可以设置成上升/下降沿触发；3 定时器：2个16位通用定时器，带有2+3个CAPCOM通道(IC、OC 或 PWM)，16位高级控制定时器，4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区插入和灵活的同步, 具有针对马达控制的六步PWM输出;4 模数转换器(ADC)：10位，±1LSB的ADC，最多有10路通道，扫描模式和模拟看门狗功能5 I/O端口：48脚封装芯片上最多有38个I/O，包括16个高吸收电流输出，非常强健的I/O设计，对倒灌电流有非常强的承受能力，并且任意管脚任何时候都可以配置成上拉/开漏输入方式，或者上拉，推挽输出方式。3.3功率驱动器件选用三相逆变桥是用来驱动无刷电机的，感性的无刷电机的定子绕组是逆变桥的负载，因而三相六组电力电子开关必定是全控型的。可以选用的常用功率型器件有：电力双极型晶体管BJT、电力场效应管MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管IGBT等等。 图3.3a 图3.3b其中电力场效应管工作频率高、通态电阻较小，驱动方式简易，在低压装置中使用最广泛，于电动车而言，在48V的1KW的系统中，选用MOSFET将是恰当的，留下必要的定额余量，选择100V耐压，大于20A的MOSFET是必要的。型号耐压通态体电阻漏极电流IRF540100V55m22AIRF280775V13m82A表3.2：几种MOSFET参数第四章 系统的硬件实现4.1单片机与外设接口STM8S105S4是一个44引脚的高集成度芯片，STM8的管脚功能图及LQFP封装图： 图4.1a 原理图符号 图4.1b 装封具有特殊功能的I/O口被映射到固定的管脚上，并且在ST官方技术资料上被提及，下面根据设计要求，合理分配I/O口，这是设计的首要任务：1 逆变桥驱动信号：STM8S105系列具有控制电机的六步PWM信号输出，名为TIM1_CH1-3及TIM1_CH1-3N三个通道的正反极性信号，分别被映射在19-21，24-26号管脚上；2 位置-速度检测：使用了通用I/O口PE0，PE1，PE2；3 仪表显示器：使用12864液晶模块，占用一组8位的PD0-8，以及使用了PG0，PG1，PC7分别作为片选、使能、读写信号；4 A/D模块：使用了六步PWM输出模块后，芯片的部分模拟通道被占用，剩下的四路：AIN4-7，三相电流采样分别使用AIN4-6，AIN7利用四路模拟开关扩展通道，分时地对总电流、总电压以及调速转把的电位器电位值进行采样。模拟天关的通道选择由PA5,PA6控制。5 按键输入：充分利用芯片GPIO的上拉/推挽/输入/输出切换功能，完全可以将按键与显示数据口复用。6 其他外设：PA4输出信号控制LCD12864背光，PC5连接至数字编程温度传感器，PC6作刹车输入，PE5控制蜂鸣器报警，PE6控制LED指示MCU工作状态。4.3驱动主电路逆变桥下图4.2所示，为无刷电机的驱动主电路，是一个三相全桥逆变电路：图4.2 三相全桥逆变电路该电路每一相都由上下桥臂组成，下桥臂是电力场效应管，使用运算放大器直接驱动，换相时，根据当前相序，信号由控制器相应的比较输出通道给出。上桥臂由光耦合器驱动的达林顿形式来控制电力晶体管，根据当前相序输出的是PWM信号。4.4逆变桥驱动电路微控制器I/O口无法直接驱动功率器件，或将导致不稳定，驱动电路如下图4.3所示。图4.3 驱动电路BRG_A_H,BRG_A_L分别连至微控制器的TIM1_CH1与TIM_1CH1N，两信号通过与门点亮光耦，仅当AL信号为高时，AH才被选通，PWM可以送到电力晶体管，由LM358反向作用，此时下桥臂的场效应管是关断的；如果AL信号为低，下桥臂打开，但是由于逻辑与门输出高电平，AH便无法送PWM至光耦；这样的设计，可以防止由于上电时或软件错误出现上下桥短路的严重后果。4.5检测模块4.5.1电机位置检测霍尔元件被安放在无刷电机内部，只需提供相应的接口，送给其电源便能正常工作，如图4.4a所示，A,B,C三相分别分别送至PE0，PE1，PE2；这类霍尔元件属于开漏输出型器件，因此需要加上拉电阻： 图4.4a 图4.4b4.5.2相电流电压检测以下是单独一相的电流检测电路，运放使用单电源供电，VSSA是微控制器的模拟地，与电源地的网络不同，这样便大大减小了由于电源地的共模干扰，使检测的值更精确可靠。运放的增益为2，其中二极管存在的理由是，即使在电流为零时为运放附加一个偏压，使运放差动输入端处于其工作范围之内。图4.5 相电流检测电路4.5.3电源总电流与电压检测以下图4.5以及图4.6分别是总电流检测与电压检测部分，电流检测电路是一个增益为6的正向放大器；电压检测是一个射随器。图4.6 总电流检测电路 图4.7 电压检测电路4.6输入装置1输入装置有调速转把、刹车断电把；如下图4.8、图4.9所示。 图4.8 调速转把接口 图4.9 刹车把接口2用于设置某些参数值的轻触按键，如下图4.10，是一个与LCD12864数据口复用的方法，以节省单片机I/O口。图4.10 按键与LCD复用原理工作原理如：当控制器要向液晶写数据时，将I/O口设置为推挽输出，这时按键不起作用，不会影响端口电平；当控制器要扫描键盘时，单片机设置成弱上拉方式，先关闭液晶使能，释放数据总线，然后读取端口电平，便获得了键值。4.7系统的EMC设计要保证辆安全平稳行驶，电磁兼容问题是电动车电气系统最重要最突出的问题之一，本设计中系统的EMC设计包括两个方面，原理图设计及PCB布板，这里只粗略提原理图设计的EMC问题：1电源系统的EMC问题：整个系统的电源由蓄电池供电，所有部件的电能最终端均来自一个电源，就是电池，由于电池，包括其引线，都会有内阻，供给系统的电源不是一个恒压源，注意到系统电能流动量最高的部分是电机的驱动系统，实际上它是一个频率不确定的噪声源，由不确定换相速度的较低的频率成分大约在零至3KHz，以及一个来自PWM的较高的频率成分大约在15K（可自行设定）；这两个分量叠加而成。这样，使用了电容滤波器可以减小高频噪声，无法消除低频分量，对整个系统，各模块电压等级可能不同，使用高频开关电源斩波降压，再使用低压差线性稳压器过滤，这样便得到稳定的电源。2.系统的信号传输的EMC问题：这里又有模拟信号和数字信号的区别：模拟信号如调速转把输入，其地端与电源地独立；软件方面应该有数字滤波器。还有电流电压采样的前端放大器，模拟地与电源地不共用网络。PWM驱动晶体管使用光耦隔离，驱动驱动MOS管采用差动输入的运算放大器实现电平转换，减少了共模干扰，栅极存在极间电容，串入电阻以减少振铃。第五章 5 软件设计5.1无刷电机换向实现无刷电机的换向，是要根据由霍尔元件的输出取出位置信息，来驱动逆变桥，改变电机的通电相序。首先对电机进行测试，得到电机的相序与霍尔信号时序相对应的关系表。这里可以看到，三位二进制霍尔信号以格雷码的形式指示着其位置，对于一个三相四极无刷电机，每重复一个周期，电机便转过90度，如下表5.1所示：位置（角度）0153045607590霍尔信号时序元件1电平1100011元件2电平0001110元件3电平0111000通电相序A相-0+0-B相+0-